某極地科考船科考收放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅志農(nóng)，巫振漢

（廣東廣船國(guó)際海洋科技研究院有限公司，廣州 511457）

1 前言

某極地科考船能夠滿足無(wú)限航區(qū)和南北兩極海域航行、科學(xué)調(diào)查作業(yè)以及綠色環(huán)保要求；能夠攜帶國(guó)產(chǎn)化的“深海勇士”號(hào)、“奮斗者”號(hào)等載人潛水器進(jìn)行極區(qū)載人深潛；配備國(guó)際先進(jìn)的極區(qū)海洋科學(xué)綜合調(diào)查設(shè)備，在環(huán)境調(diào)查方面能夠承擔(dān)極區(qū)大氣、水面、海冰、水體、底質(zhì)等綜合調(diào)查觀測(cè)研究任務(wù)，具備有關(guān)氣候變化的海洋環(huán)境綜合觀測(cè)取樣能力，并可開(kāi)展極區(qū)深海資源調(diào)查；具有全海深全海域特別是極地水域航行和科考的特點(diǎn)；能夠布放回收載人潛水器、水下纜控潛水器（ROV）、水下無(wú)纜自主機(jī)器人（AUV）、自動(dòng)采水系統(tǒng)（CTD）；可測(cè)量海水溫度、深度、鹽度；配備了深海絞車、艉門架、舷側(cè)門架、月池系統(tǒng)等科考收放設(shè)備和系統(tǒng)。

2 絞車設(shè)計(jì)

2.1 絞車選型

按照本船的功能需求，需要配置CTD 絞車、地質(zhì)絞車、ROV 絞車、光電纜絞車。本船配置了先進(jìn)的變頻電動(dòng)科考絞車系統(tǒng)，其主要功能如下：

1）自動(dòng)/手動(dòng)排纜、收纜/放纜方向控制；

2）絞車無(wú)級(jí)調(diào)速、應(yīng)急停止；

3）纜繩張力、速度、長(zhǎng)度檢測(cè)及報(bào)警等信息實(shí)時(shí)顯示；

4）本地操作+遠(yuǎn)程線控；

5）纜繩清潔及絞車攝像；

6）遠(yuǎn)程故障診斷。

各絞車選型要求如下：

1）絞車?yán)|長(zhǎng)可支撐全海深科考作業(yè)；

2）滿足地質(zhì)取樣器等的承重要求；

3）盡可能減少絞車數(shù)量，可考慮兼用；

4）各絞車安全工作負(fù)載，應(yīng)滿足盡可能多規(guī)格的收放設(shè)備的需求。

絞車選型如下：

1）CTD 絞車1 套，變頻驅(qū)動(dòng)，牽引式，纜長(zhǎng)10 000 m，安全工作負(fù)載6 t；

2）地質(zhì)絞車1 套，變頻驅(qū)動(dòng)，牽引式，纜長(zhǎng)13 000 m，安全工作負(fù)載30 t；提供承重眼環(huán)，收放設(shè)備通過(guò)承重眼環(huán)與纜相連接；

3）光電纜絞車1 套，變頻驅(qū)動(dòng)，牽引式，纜長(zhǎng)6 000 m，安全工作負(fù)載25 t，光電纜絞車兼作ROV絞車。

2.2 絞車布置

考慮絞車系統(tǒng)在極低氣溫下的安全可靠運(yùn)行，所有絞車采用集成埋艙方式布置在絞車間；絞車系統(tǒng)的布置應(yīng)考慮絞車排纜走纜的便利性、絞車維護(hù)操作的便捷性，同時(shí)兼顧海上作業(yè)轉(zhuǎn)換的高效性。

絞車間布置圖，如圖1 所示。

圖1 絞車間布置圖

3 門架設(shè)計(jì)

3.1 艉門架

本船露天作業(yè)甲板艉部設(shè)置一臺(tái)液動(dòng)門架，可用于載人潛器的收放操作，并可服務(wù)于光電纜和地質(zhì)纖維纜。該門架設(shè)置了2 個(gè)滑輪吊點(diǎn)，右舷滑輪吊點(diǎn)兼顧光電纜和地質(zhì)纖維纜的布放；配置了無(wú)線便攜式操控板用于本地操作，也可在艉操控室操作。

按照全海深載人潛水器“奮斗者”號(hào)的重量，再加上潛水器導(dǎo)接頭的重量并留一定余量，艉門架的工作負(fù)荷定為100 t；左舷滑輪吊點(diǎn)設(shè)計(jì)用于未來(lái)其它深海裝備的收放，其安全工作負(fù)荷盡可能大，為50 t，以適應(yīng)重型深海裝備。艉門架布置圖，如圖2 所示。

圖2 艉門架布置圖

3.2 舷側(cè)門架

潛器間旁艉部作業(yè)甲板右舷設(shè)置一臺(tái)ROV/CTD 共用A 架，其工作負(fù)荷為20 t，用于ROV 和CTD 系統(tǒng)的收放等工作；A 架配置ROV 導(dǎo)接頭和CTD 吊點(diǎn)滑輪，按照兼容超大重型ROV的要求，參考國(guó)內(nèi)外ROV資料，最大重量約為5 t，再加上中繼器、導(dǎo)接頭重量并考慮恰當(dāng)余量，舷側(cè)門架安全工作負(fù)載定為20 t；按照兼容多層大型CTD 的要求，參考國(guó)內(nèi)外CTD 資料，CTD 吊點(diǎn)滑輪安全工作負(fù)載定為6 t。舷側(cè)門架布置圖，如圖3 所示。

圖3 舷側(cè)門架布置圖

4 月池系統(tǒng)設(shè)計(jì)

月池系統(tǒng)主要包括：收放系統(tǒng)；艙蓋系統(tǒng)；操控系統(tǒng)。月池系統(tǒng)可配合ROV 絞車及CTD 絞車等，進(jìn)行ROV、CTD 收放等科考作業(yè)；也可通過(guò)月池收放其它科考設(shè)備和儀器，如搜尋探查型 AUV、水下吊車等。

4.1 月池系統(tǒng)配置

月池系統(tǒng)的配置，見(jiàn)表1。

表1 月池系統(tǒng)配置

為了可收放所有型號(hào)的ROV 以及大型科考設(shè)備，月池凈開(kāi)口越大越好。但是大開(kāi)口會(huì)對(duì)船體總縱強(qiáng)度造成損害，同時(shí)對(duì)船體的橫向強(qiáng)度及剛度都有顯著的影響，并且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿足5 級(jí)海況開(kāi)啟月池及科考作業(yè)的安全性。所以在保證船體安全滿足規(guī)范的情況下，通過(guò)有限元及3D 建模CFD 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，考慮船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全、設(shè)備作業(yè)需求、現(xiàn)場(chǎng)施工方便等要求，使設(shè)計(jì)更加合理；同時(shí)，結(jié)合船舶布置空間的限制，本船在船中#52～#60 設(shè)置月池結(jié)構(gòu)，月池由主甲板通往外板，月池圍井尺寸為6.4×7.6 m，凈開(kāi)口尺寸為4.8×6 m。

開(kāi)口尺寸為4.8×6 m 的船底外板對(duì)于航速影響極大，因此設(shè)置了水密底艙蓋。水密底艙蓋采用單塊蓋板向上開(kāi)啟的方式：艙蓋關(guān)閉時(shí)艙蓋下表面與船底外板齊平，同時(shí)艙蓋滿足水密要求，蓋板強(qiáng)度考慮了冰區(qū)加強(qiáng)的要求，艙蓋四周設(shè)有防凍措施，保證艙蓋在冰區(qū)的安全啟閉。

月池頂蓋如設(shè)計(jì)為風(fēng)雨密，設(shè)備成本較高，同時(shí)設(shè)計(jì)和安裝要求也較高，通過(guò)優(yōu)化本船總體設(shè)計(jì)，可達(dá)到頂蓋非密性要求。本船月池頂蓋位于月池圍井頂部，采用2 塊埋入式蓋板向下開(kāi)啟的方式，艙蓋上表面與主甲板齊平，當(dāng)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，艙蓋上可以堆放一定負(fù)荷的重物，同時(shí)艙蓋向下開(kāi)啟，減少了對(duì)月池收放提升機(jī)構(gòu)的影響。

月池收放系統(tǒng)，主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1）ROV 收放系統(tǒng)

（1）ROV 布放回收模式

安全工作負(fù)載：5 t

工作速度：30 m/min

作業(yè)海況：4 級(jí)正常作業(yè)，5 級(jí)應(yīng)急回收

（2）其它裝備布放模式

安全工作負(fù)載：20 t

工作速度：15 m/min

作業(yè)海況：3 級(jí)

2）CTD 收放系統(tǒng)

安全工作負(fù)載：3 t

工作速度：30 m/min

作業(yè)海況：4 級(jí)正常作業(yè)，5 級(jí)應(yīng)急回收。

4.2 月池系統(tǒng)工作原理

以ROV 收放為例，先將無(wú)人潛水器ROV 與月池系統(tǒng)的ROV 收放裝置的導(dǎo)接頭進(jìn)行連接，并提升離開(kāi)月池頂蓋；采用油缸分別驅(qū)動(dòng)月池頂蓋和底蓋開(kāi)啟，操作ROV 收放裝置，順著月池導(dǎo)軌進(jìn)行下放、入水，下放至海面規(guī)定深度，將導(dǎo)接頭與ROV 脫開(kāi)，此時(shí)可操作光電纜絞車進(jìn)行ROV 的布放工作；回收時(shí)采用光電纜絞車，將ROV 回放至海面規(guī)定深度，與導(dǎo)接頭連接后進(jìn)行提升，從水下一直提升至月池頂蓋上方一定深度；關(guān)閉月池頂蓋和底蓋，將ROV 放置在月池頂蓋上方，完成ROV 在月池的布放回收工作；CTD 裝置的收放原理與上述基本一致，但ROV 收放裝置工作時(shí)需要CTD 收放裝置處于收藏狀態(tài)，當(dāng)使用時(shí)將CTD 收放裝置展開(kāi)使用。

月池收放系統(tǒng)是月池系統(tǒng)的核心，需要實(shí)現(xiàn)CTD、ROV、AUV 等科考設(shè)備的收放：CTD、ROV 收放提升，采用固定導(dǎo)軌結(jié)合活動(dòng)導(dǎo)軌的方式，即在頂蓋下方設(shè)置固定導(dǎo)軌，頂蓋上方設(shè)置活動(dòng)導(dǎo)軌。非工作狀態(tài)時(shí)，頂蓋關(guān)閉，活動(dòng)導(dǎo)軌處于最上端位置，收放提升裝置通過(guò)止擋塊固定在活動(dòng)導(dǎo)軌上；工作狀態(tài)時(shí)，頂蓋開(kāi)啟，活動(dòng)導(dǎo)軌在液壓油缸作用下，垂直向下移動(dòng)，直至與月池圍井中的固定導(dǎo)軌完成對(duì)接。此時(shí)，收放提升裝置就可順利從活動(dòng)導(dǎo)軌滑入固定導(dǎo)軌中，實(shí)現(xiàn)在圍井內(nèi)上升與下降的功能。

月池系統(tǒng)主要功能如下：

1）布放回收；

2）提升下放；

3）回轉(zhuǎn)；

4）閉鎖；

5）緊急停機(jī)；

6）頂蓋、底蓋開(kāi)啟；

7）鎖緊。

5 布纜設(shè)計(jì)

如前所述，ROV、CTD 等科考設(shè)備既可通過(guò)布置在露天甲板上的艉門架、舷側(cè)門架布放回收，也可在完全冰區(qū)或惡劣海況或特殊作業(yè)時(shí)，通過(guò)月池系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在船內(nèi)部遮蔽布放回收。

5.1 艉門架布纜設(shè)計(jì)

艉液動(dòng)門架可用于載人潛器的收放操作，并可服務(wù)于光電纜和地質(zhì)纖維纜。載人潛器通過(guò)門架上的導(dǎo)接頭與門架連接，無(wú)需布纜。

光電纜布纜設(shè)計(jì)：光電纜絞車→絞車艙艙頂導(dǎo)向滑輪→潛器間三向滑輪→艉門架滑輪；地質(zhì)纖維纜布纜設(shè)計(jì)為：地質(zhì)纜絞車→絞車艙艙頂導(dǎo)向滑輪→潛器間滑輪→艉門架滑輪。

艉門架布纜圖，如圖4 所示。

圖4 艉門架布纜圖

潛器間三向滑輪可手動(dòng)調(diào)整到三個(gè)方向：導(dǎo)向艉門架、舷側(cè)門架、月池。三向滑輪布纜圖，如圖5 所示。

圖5 三向滑輪布纜圖

5.2 舷側(cè)門架布纜設(shè)計(jì)

舷側(cè)門架可用于ROV 和CTD 系統(tǒng)的收放等工作。

ROV 纜布纜設(shè)計(jì)：

ROV 絞車→絞車艙艙頂導(dǎo)向滑輪→潛器間三向滑輪→舷側(cè)門架；

CTD 纜布纜設(shè)計(jì)為：

CTD 絞車→絞車艙艙頂導(dǎo)向滑輪→潛器間二向滑輪→潛器間滑輪→舷側(cè)門架。

二向滑輪布纜圖，如圖6 所示。

圖6 二向滑輪布纜圖

5.3 月池布纜設(shè)計(jì)

月池系統(tǒng)可用于ROV、CTD 等收放操作，也可用于收放其它科考設(shè)備和儀器，如搜尋探查型 AUV、水下吊車等。

ROV 纜布纜設(shè)計(jì)：

ROV 絞車→絞車艙艙頂導(dǎo)向滑輪→潛器間三向滑輪→潛器間滑輪→月池滑輪→月池；

CTD 纜布纜設(shè)計(jì)：

CTD 絞車→絞車艙艙頂導(dǎo)向滑輪→潛器間二向滑輪→月池滑輪→月池。

月池布纜圖，如圖7 所示。

圖7 月池布纜圖

6 輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

科考收放輔助系統(tǒng)，包括科考設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)和科考設(shè)備交通設(shè)施：科考設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，用于將科考設(shè)備在艉露天甲板、月池車間、月池之間進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)；科考設(shè)備交通設(shè)施，用于載人潛器等的登乘等。

6.1 科考設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)

主要由安全工作負(fù)載為50 t 的電動(dòng)軌道車、軌道、控制系統(tǒng)、甲板系固件組成，其功能如下：

1）軌道車前進(jìn)、后退；

2）軌道車調(diào)速；

3）防傾覆；

4）緊急停機(jī)；

5）多部位操作。

軌道車運(yùn)行速度為6 m/min，驅(qū)動(dòng)方式為變頻驅(qū)動(dòng)，在4 級(jí)海況時(shí)可正常作業(yè)；軌道車座落在軌道上，軌道分段整體吊裝在軌道，安裝墊塊后用調(diào)整墊片進(jìn)行預(yù)調(diào)平，然后將安裝支座焊接于軌道安裝墊板上；安裝墊板船上現(xiàn)場(chǎng)定位焊接，焊接完成后上表面激光打平，盡量保證高度平面度。

轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)圖，如圖8 所示。

圖8 轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)圖

6.2 科考設(shè)備交通設(shè)施

科考設(shè)備交通設(shè)施，主要由載人潛器登乘及A 架維護(hù)、載人潛器登乘、月池登乘組成。

“奮斗者”號(hào)載人潛器，高約5 m、長(zhǎng)約10 m，載員的進(jìn)出口設(shè)在頂部，需設(shè)計(jì)專門的登乘設(shè)施，如圖9 所示。

圖9 載人潛器登乘圖

載人潛器A 架的高度約20 m，導(dǎo)接頭的高度約15 m，當(dāng)A 架維護(hù)時(shí)也需要設(shè)計(jì)專門的設(shè)施用于到達(dá)導(dǎo)接頭處。

載人潛器維護(hù)架圖，如圖10 所示。

圖10 載人潛器維護(hù)架圖

月池系統(tǒng)使用時(shí)，月池上艙蓋打開(kāi)，需要設(shè)計(jì)專門的設(shè)施用于到達(dá)月池內(nèi)從事解開(kāi)或連接無(wú)人潛器浮標(biāo)等作業(yè)。

7 結(jié)束語(yǔ)

本極地科考船科考收放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，確保本船具備全海深全海域特別是極地水域科考作業(yè)的能力，同時(shí)具有極佳的兼容性，可服務(wù)于今后開(kāi)發(fā)的深?？瓶荚O(shè)備；本船可支持極區(qū)載人深潛作業(yè)、月池作業(yè)型ROV、極區(qū)海底打撈救援。以上均為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，對(duì)今后類似船型設(shè)計(jì)具有較大的參考價(jià)值。